传感器原理及其应用-第2章-电阻应变式传感器.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,_,传感器原理及应用,_,电阻应变式传感器概述,工作原理：金属丝、箔、薄膜在外界应力 作用下电阻值变化的效应,电阻应变效应,结构简单，使用方便,可测力、压力、位移、应变、加速度等物理量；,弹性敏感元件,力、压力、位移,电阻应变片,电桥电路,R,U,易于实现自动化、多点及远距离测量、遥测；,灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；,1,2,应变片用于各种电子衡器,磅秤,电子天平,3,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,4,汽车衡,称重系统,5,金属丝的轴向应变；,金属丝的径向应变,（,dS/S=2dr/r,）,Y,=-,x,；,泊松系数；(,Poisson ratio,),8,式中：K,S,金属丝的灵敏系数；,(gage factor),令：,在金属丝的弹性范围内，灵敏系数,K,S,为常数，即：,线性关系,x,通常很小，常用,10,-6,表示之。例如，当,x,为,0.000001,时，在工程中常表示为,1,10,-6,或,m/m,。在应变测量中，也常将之称为微应变,(),。,对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于,1,10-3,，即,1000,m/m,，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,9,2.2.1应变片的基本结构,2.2,电阻应变片的结构、种类和材料,2.2.2应变片的种类,10,1.金属丝式应变片,(,bonded metal-wire gage,),直径在,0.0120.05mm,的金属丝,；,2.金属箔式应变片,(,bonded metal-foil gage,),厚度在,0.0010.01mm,的金属箔；,11,箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的,铜镍合金,。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。,3.金属薄膜式应变片(,vacuum-deposited thin-metal-film gage,sputter-deposited thin-metal-film gage,),厚度在,0.1,m,以下的金属箔；,12,2.2.3 应变片的材料,1.敏感栅材料,对敏感栅的材料的要求：,应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；,电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；,电阻温度系数要小；,抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；,在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；,加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；,易于焊接，对引线材料的热电势小。,常用材料有：康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金、铂、铂钨合金等，如下表。,13,材料名称,化学成分%,电阻率/(mm/m),电阻温度系数/（10,-6,/,）,灵敏系数,K,s,线膨胀系数/（10,-6,/,）,最高使用温度/,康铜,Cu55,Ni45,0.450.52,20,2.0,15,250(静态),400(动态),镍铬合金,Ni80,Cr20,1.01.1,110130,2.12.3,14,450(静态),800(动态),卡玛合金,6J22,Ni74,Cr20,Al3,Fe3,1.241.42,20,2.42.6,13.3,450(静态),800(动态),伊文合金,6J23,Ni75,Cr20,Al3,Cu2,1.241.42,20,2.42.6,13.3,450(静态),800(动态),铁铬铝合金,Fe余量Cr26,Al5.4,1.31.5,3040,2.6,14,550(静态),1000(动态),铂钨合金,Pt90.591.5,W8.59.5,0.740.76,139192,3.03.2,9,800(静态),1000(动态),铂,Pt,0.090.11,3900,4.6,9,800(静态),1000(动态),铂铱合金,Pt80,Ir20,0.35,90,1.0,13,800(静态),1000(动态),14,基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。,基底材料有纸基和胶基。胶基由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等制成胶膜，厚度约0.030.05mm,2.基底材料,3.黏合剂材料,用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。,常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,15,类型,主要成分,牌号,适于黏合的基底材料,最低固化条件,固化压力/10,4,Pa,使用温度,/,硝化纤维素黏合剂,硝化纤维素溶剂,万能胶,纸,室温10小时或6,02小时,0.51,5080,氰基丙烯酸黏合剂,氰基丙烯酸酯,501，502,纸、胶膜、玻璃纤维布,室温1小时,粘合时指压,10080,聚酯树脂黏合剂,不饱和聚酯树脂、过氧化环已酮、萘酸钴干料,胶膜、玻璃纤维布,室温24小时,0.30.5,50150,环氧树脂类黏合剂,环氧树脂、聚硫酚铜胺、固化剂,914,胶膜、玻璃纤维布,室温2.5小时,粘合时指压,6080,酚醛环氧、无机填料、固化剂,509,胶膜、玻璃纤维布,200,2小时,粘合时指压,100250,环氧树脂、酚醛、甲苯二酚、石棉粉等,J06-2,胶膜、玻璃纤维布,1503小时,2,196250,酚醛树脂类黏合剂,酚醛树脂、聚乙烯醇缩丁醛,JSF-2,胶膜、玻璃纤维布,1501小时,12,60150,酚醛树脂、聚乙烯醇缩甲乙醛,1720,胶膜、玻璃纤维布,1903小时,60100,酚醛树脂、有机硅,J-12,胶膜、玻璃纤维布,2003小时,60350,聚酰亚胺黏合剂,聚酰亚胺,30-14,胶膜、玻璃纤维布,2802小时,13,150250,磷酸盐黏合剂,磷酸二氢铝无机填料,GJ-14,LN-3,金属薄片、临时基底,4001小时,550,P106,4003小时,700,氧化物喷涂,二氧化二铝,金属薄片、临时基底,800,16,4.引线材料,是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。,2.3应变片的主要参数,1.应变片电阻值（R,0,）,电阻应变片的电阻值为60、120、350，500和1000,等多种规格，以120最为常用。,应变片的电阻值越大，允许的工作电压就大，传感器的输出电压也大，相应地应变片的尺寸也要增大，在条件许可的情况下，应尽量选用高阻值应变片。,17,2.绝缘电阻：要求10,10,欧姆；,K,为金属应变片的灵敏系数。注意，,K,是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数,K,恒小于线材的灵敏系数K,S,。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。,3.应变片的灵敏系数（K）,金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数K,S,表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与,金属单丝情况不同,。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，,金属应变片的电阻相对变化与应变,在很宽的范围内均为线性关系。即,18,4.机械滞后,应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。,产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。,1,机械应变,卸载,加载,指示应变,i,应变片的机械滞后,机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。,19,对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的,零点漂移。,产生原因,：,敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。,5.零漂和蠕变,如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为,蠕变,。一般蠕,变,的方向与原应变量的方向相反。,产生原因,：,由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。,这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。,20,6.应变极限、疲劳寿命,在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。,lim,真实应变,z,指示应变,i,10%,1,主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。,21,疲劳寿命,指对已粘贴好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，,可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。,7.允许电流：静态25mA,动态：75100mA；,8.,横向效应(,transverse effect,),如图，若将应变片粘贴在单向拉伸试件上，这时各直线段上的金属丝只感受沿其轴向拉应变,x,，故其各微段电阻都将增加，但在圆弧段上，沿各微段轴向(即微段圆弧的切向)的应变却并非是,x,。所产生的电阻变化与直线段上同长微段的不一样，在=90的,微弧段处最为明显。由于单向位伸时，除了沿轴向(水平方向)产生拉应变外，按泊松关系同时在垂直方向上产生负的压应变,y,（=,x,），因此该段上的电阻不仅不增加，反而是减少的。,22,而在圆弧的其他各微段上，其轴向感受的应变是由+,x,变化到,y,的，因此圆弧段部分的电阻变化，显然将小于其同样长度沿轴向安放的金属丝的电阻变化。由此可见，将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，因此灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的,横向效应。,应变片的横向效应表明，当实际使用应变片的条件与标定灵敏度系数,K,时的条件不同时，由于横向效应的影响，实际K值要改变，由此可能产生较大测量误差。为了减小横向效应的影响，一般多采用箔式应变片。,23,9.动态响应特性,当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。,设一频率为,f,的,正弦应变波,在构件中以速度,v,沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时,t,，应变量沿构件分布如图所示。,0,应变片,1,l,x,1,x,24,设应变波波长为,，则有,=v/f,。应变片栅长为,L,，瞬时,t,时应变波沿构件分布为,应变片中点的应变为,x,t,为,t,瞬时应变片中点的坐标。应变片测得的应变为栅长,l,范围内的平均应变,m,，其数值等于,l,范围内应变波曲线下的面积除以,l,，即,25,平均应变,m,与中点应变,t,相对误差,为,由上式可见，相对误差,的大小只决定于 的比值，表中给出了为1/10和1/20时,的数值。,（%）,1.62,0.52,误差的计算结果,1/20,1/10,26,由表可知，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差,愈小。当选中的应变片栅长为应变波长的（1/10-1/20）时，,将小于2%。,因为,式中,应变波在试件中的传播速度；,f,应变片的可测频率。,取 ，则,若已知应变波在某材料内传播速度,，由上式可计算出栅长为L的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。,27,基长,l,0,（mm）,1 2 3 5 10 15 20,最高工作频率（KHz),250 125 83.3 50 25 16.6 12.5,下表为钢材，,v,=5000m/s,20的计算结果,（a）阶跃输入信号 （b）理论输出信号 （c）实际输出信号,t,k,=0.8,l,/,v,可测最高频率(误差,11/e,)为,f,=0.35/t,k,=0.44,v/l,对阶跃输入应变的响应,28,2.4应变片的应用,2.4.1应变片的选择,应变片类型的选择,2.材料的选择,3.阻值的选择,4.尺寸的选择,2.4.2应变片的使用,29,1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,30,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,31,3.测量：,从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,32,4.焊接：,将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断,。,33,5.固定：,焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片,。,34,2.5 转换电路,应变片将应变的变化转换成电阻相对变化,R,/,R,，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥。,2.5.1,恒压源直流电桥,35,如图所示。电源,E,为恒压源，其内阻为零。根据电路学中的克希霍夫定律，列出电路方程：,R,2,R,4,R,1,R,3,U,i,恒压电桥电路原理图,R,o,A,C,D,I,o,B,36,式中,R,0,为负载电阻，因而其输出电压,U,0,为:,联立求解上述方程，求出检流计中流过的电流,I,o,为:,当,R,1,R,4,=,R,2,R,3,时，,I,0,=0，,U,0,=0，即电桥处于平衡状态。,若电桥的,负载电阻,R,0,为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为:,37,设,R,1,为应变片的阻值，工作时,R,1,有一增量,R,1,，当为拉伸应变时，,R,1,为正；压缩应变时，,R,1,为负。在上式中以,R,1,+,R,1,代替,R,1,，则,(2-12),38,由于,R,1,R,1,略去(2-13)分母中的,R,1,/R,1,得：,整理得：,(2-13),定义,桥臂比,：,(2-14),39,(2-15),当,dK,U,/dn=0,时，,dK,U,最大，此时,n=1,；,即,R,2,=R,1,；,R,4,=,R,3,当,n=1,时，电桥为等臂电桥，其输出电压为：,(2-16),定义,电桥灵敏度：,40,单臂直流电桥的非线性误差,如果不略去（2-13）式中分母的R,1,/R,1,项，则电桥实际输出值为U,0,，非线性误差为：,当n=1时，,可见非线性误差与R1/R1成正比。对金属电阻应变片，R非常小，电桥非线性误差可以忽略。对半导体应变片，由于其灵敏度大，受应变时R很大，非线性误差将不可忽略，因此应采用差动电桥。,41,差动电桥,两臂差动,电桥的输出电压为：,设初始时为R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R；则上式为,若工作时应变片一片受拉、一片受压，即R,1,=R,2,=R，则,可见，这时输出电压U,0,与R/R间成严格的线性关系，且电桥灵敏度比单臂电桥提高一倍。,42,若采用四臂差动电桥（,全桥,），如图，并设初始时R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R；工作时各个桥臂中电阻应变片电阻的变化为：R,1,、R,2,、R,3,、R,4,；则电桥输出为：,若R,1,=R,4,=R,2,=R,3,=R，则有,43,2.5.2恒流源电桥,设供电电流为I，当R,1,=0时，且负载电阻很大，通过各臂的电流为,输出电压为：,若电桥初始处于平衡状态，且R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R；当R,1,变为R+R时，电桥输出电压为,非线性误差比恒压源电桥减小1/2,44,2.5.3交流电桥,交流载波放大器具有灵敏度高、稳定性好、外界干扰和电源影响小及造价低等优点，但存在工作频率上限较低、长导线时分布电容影响大等缺点。,直流放大器工作频带宽，能解决分布电容问题，但它需配用精密稳定电源供桥，造价较高。,近年来随着电子技术的发展，在数字应变仪、超动态应变仪中已逐渐采用直流放大形式的测量线路。,1交流电桥的平衡条件,交流电桥电路如图所示,输出电压为,平衡条件为,：,45,设各臂阻抗为:,式中，,r,i,、,x,i,为相应各桥臂的电阻和电抗，,Z,i,和,i,为复阻抗的模和幅角。,上式表明，交流电桥平衡要满足两个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等，并且其幅角之和相等。所以交流电桥的平衡比直流电桥的平衡要复杂得多。,故交流电桥的平衡条件为:,46,2交流电桥的平衡调节,对于纯电阻交流电桥，由于应变片连接导线的分布电容，相当于在应变片上并联了一个电容，如图，所以在调节平衡时，除使用电阻平衡装置外，还要使用电容平衡装置，,47,2.6电阻应变片的温度误差及其补偿,1.温度误差及其产生原因,用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：,应变片的电阻丝,(,敏感栅,),具有一定温度系数；,电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,48,设环境引起的构件温度变化为,t,（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为,，则应变片产生的电阻相对变化为,由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当,t,存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为,g,试件材料线膨胀系数；,s,敏感栅材料线膨胀系数。,K,应变片灵敏系数。,49,温度变化形成的总电阻相对变化：,相应的虚假应变为,上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化,t,时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。,可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(,s,)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(,g,)有关。,50,2.温度误差补偿方法,（1）自补偿法,1）单丝自补偿,由前式知，若使应变片在温度变化,t,时的热输出值为零，必须使,每一种材料的被测试件，其线膨胀系数,g,都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数,和线膨胀系数,s,满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,51,如图（a）,应变片由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现,R,1,t,=,R,2,t,该方法补偿效果可达,0.45,。,2）双丝组合式自补偿,（a）,(b),温度补偿。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的,两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，,即,组合式自补偿应变片的另一种形式是用两种同符号温度系数的合金丝串接成敏感栅，在串接处焊出引线并接入电桥，如图(b)。适当调节R,1,与R,2,的长度比和外接电阻R,B,的值，使之满足条件,即可满足温度自补偿要求,52,（2）桥路补偿法,如图，工作应变片R,1,安装在被测试件上，另选一个特性与R,1,相同的补偿片R,B,，安装在材料与试件相同的补偿件上，温度与试件相同，但不承受应变。R,1,与R,B,接入电桥相邻臂上。由于相同温度变化造成R,1,和R,B,电阻变化相同，根据电桥理论可知，电桥输出电压与温度变化无关。,在有些应用中，可以通过巧妙地安装多个应变片以达到温度补偿和提高测量灵敏度的双重目的。如图，在等强度悬臂梁的上下表面对应位置粘贴四片相同的应变片并接成差动全桥，当梁受压力F时，R,1,和R,2,应变片受拉应变，电阻增加，而R,3,和R,4,应变片受压应变，电阻减小，电桥输出为单臂工作时的4倍。而温度变化引起四片应变片的电阻变化相同，则电桥输出不变。,53,2.7电阻应变式传感器,2.7.1电阻应变式力传感器,1柱式力传感器,柱式力传感器的弹性元件分实心和空心两种，如图。其特点是结构简单，可承受较大载荷，最大可达10,7,N，在测10,3,10,5,N载荷时，为提高变换灵敏度和抗横向干扰，一般采用空心圆柱结构。,根据材料力学，柱沿轴向的应变为,应变的大小取决于S、E、F，与轴长度无关。,54,圆柱的直径的计算：,根据材料极限应力,b,来计算,即,：,F/S=2D+l,或,H=D-d+l,应变片长度,55,BLR1型拉力传感器,56,57,应变式荷重传感器外形及受力位置,F,F,58,悬臂梁式：,等截面梁：,=6F,l,0,/Ebh,=6lF/Eb,0,h,等强度梁：,2梁式力传感器,59,双孔平行梁：,抗弯断面系数,差动电桥输出：,可见载荷的位置不影响输出,载荷可以施加在任何位置，都可以,简化为作用于梁端部的力F及一个力偶M,60,S型双孔梁,差动电桥输出：,抗弯断面系数,61,应变式力传感器,F,F,F,F,62,吊钩秤,便携式,63,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,64,剪切弹性模量,应变片安装在弹性元件剪应变最大处的主应变方向。剪切式力传感器的输出和精度比拉压式力传感器高。,3.剪切式力传感器,梁长度的中间截面弯矩为零，中性层处是最大剪应变所在处，为此将电阻应变片安装在该截面的中性层上，栅丝与中性层成45方向，即最大正应变方向。,四片应变片接成全桥电路后，电桥输出指示的应变与外力的关系为：,矩形截面梁：工字形截面梁：,65,减小弯矩影响的剪切力传感器贴片方式,轮辐式剪切力传感器,66,2.7.2 电阻应变式压力传感器,1平膜片式压力传感器,在膜片中心（,R,=0,），,r,、,t,达到正最大值；当,r,0.635,r,0,时，,r,=0,；当,r,0.635,r,0,时，,r,产生负值；当,r,r,0,时，,t,=0，,r,达到负最大值。一般用小栅长应变片在膜片中心沿切向贴两片，在边缘处沿径向贴两片，并接成全桥线路，以提高灵敏度和进行温度补偿。,67,2.筒式压力传感器,如图（a）,当内腔与被测压力场相通时，圆筒部分外表面上的切向应变（沿着圆周线）为,若筒壁较薄时，可用下式计算应变,式中，,筒的外径与内径之差，,=,D,0,D,。,(b)(c)贴片方式可实现温度补偿,68,2.7.3电阻应变式加速度传感器,69,加速度传感器系统模型,70,2.8电阻应变仪,71,2.9 压阻式传感器,是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。,优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。,2.9.1 基本工作原理,单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为,压阻效应。,电阻相对变化量,对半导体材料,式中，压阻系数,与晶向有关。,72,用于制作半导体应变片的材料最常用的是硅和锗。在硅和锗中渗进硼、铝、镓、铟等杂质，可以形成P型半导体；如渗进磷、锑、砷等，则形成N型半导体。渗入杂质的浓度越大，半导体材料的电阻率就越低。,参数,硅（,=10,）,锗（,=10,）,N,P,N,P,l,/10,-7,N,-1,100,110,111,102,63,8,6.5,71,93,3,72,95,6,47.5,65,E,l,/10,7,-,N,100,110,111,1.30,1.67,1.87,1.01,1.38,1.55,K,B,100,110,111,132,104,13,10,123,177,2,97,147,5,65,103,由表可见，半导体是各向异性材料，其压阻系数与晶向密切相关。N型硅的100晶向、P型硅的111晶向、N型锗的111晶向、P型锗的111晶向，其灵敏系数比金属丝应变片要大几十倍。,73,2.9.2半导体应变片,74,2.9.3压阻式传感器,将制作成一定形状的N型单晶硅作为弹性元件，选择一定的晶向，通过半导体扩散工艺在硅基底上扩散出4个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个桥臂，从而实现了弹性元件与变换元件一体化，这样的敏感器件称为压阻式传感器。压阻式传感器主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。,1压阻式压力传感器,75,2压阻式加速度传感器,2.9.4压阻式传感器输出信号调理,76,由MAXIM1450压阻式传感器专用芯片构成的测量电路,77,